DE3137654A1 - Stellventil, insbesondere zur steuerung und regelung von dampfturbinen - Google Patents
Stellventil, insbesondere zur steuerung und regelung von dampfturbinenInfo
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- F16K1/00—Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces
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Description
KRAFTWERK UITIOIi AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Mülheim a. d. Ruhr VPA 81 P 9369 DE
Stellventil.,. i-nsb-esonaer-e zur- Steuerung, und Regelung
von Dampfturbinen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Stellventil, insbesondere zur Steuerung und Regelung von Dampfturbinen, gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Derartige Stellventile, die beispielsweise aus der Siemens-Zeitschrift
41 (1967), Beiheft "Dampfturbinen großer Leistung", Seiten 75 und 76 bekannt sind, sollen
einerseits durch Verändern der Hubstellung des Ventilkörpers eine gewünschte Drosselcharakteristik gewährleisten
und andererseits in voll geöffnetem, d. h. in ausgesteuertem Zustand möglichst geringe Gefälleverluste verursachen.
Darüber hinaus sollen im Hinblick auf Grenzen der Baumaße und der Leistung der zugehörigen Stellantriebe
die Verstellkräfte klein gehalten werden. Bei den im Dampfturbinenbau zumeist verwendeten Einsitzventilen
werden die Verstellkräfte durch die Wahl eines relativ geringen Durchmessers des Ventilkörpers vermindert. Im
engsten Querschnitt hinter dem Ventilsitz ergeben sich damit schon im voll geöffneten Zustand des Stellventils
hohe Strömungsgeschwindigkeiten. Um die Gefälleverluste in der nachfolgenden Rohrleitung klein zu halten, wird
dann die Strömungsgeschwindigkeit in dem hinter dem Ventilsitz angeordneten Diffusor verlustarm verlangsamt.
Bei diesem Querschnittsverlauf des Stellventils, der als konvergent-divergenter Kanal aufgefaßt werden kann, ergeben
sich tiefste Drucke in dem engsten Querschnitt gefolgt von einem Druckanstieg längs des Diffusors.
Wird zu Steuerungzwecken die Strömung gedrosselt und der Ventilkörper hierzu in Richtung des Ventilsitzes verschoben,
so kommt es im Diffusor in mit der Schließbewegung
KIk 2 FI/I6.9.I98I
VPA 81 P 9369 DE
des Ventilkörpers zunehmendem Maße zu Strömungsablösungen. Die Übergeschwindigkeiten der Strömung werden dabei durch
. Verwirbeln verlangsamt. Bei stärkerer Drosselung werden zunehmend Überschallgeschwindigkeiten der Strömung hinter
dem Ventilsitz erzeugt, welche durch Verdichtungsstöße abgebaut werden. Beide Formen der Strömungsverlangsamung
bzw. Verlusterzeugung durch Verwirbeln oder durch Verdichtungsstöße
bewirken jedoch einen stark instationären Strömungsverlauf mit ausgeprägter Grobturbulenz, mit PuI-sieren
und mit Hin- und Herschwanken der hinter dem Ventilsitz zunächst als Freistrahl verlaufenden Strömung.
Die hierdurch erzeugten Druckschwankungen wirken dann als
unerwünschte Schwingungsanregung auf den Ventilkörper.
Besonders starke Schwankungen können auch schon bei relativ schwacher Drosselung auftreten. Es ist für eine Diffusorströmung
charakteristisch, daß der Beginn der Strömung sablö sung instationär verläuft, da es zwischen noch
anliegender und schon abgelöster Strömung zu stochastischem Wechsel kommt. Die hierdurch ausgelösten Zusammenbrüche
des Druckanstieges im Diffusor und die davon ausgehenden starken Druckstöße wirken ebenfalls als Schwingungsanregungen
auf den Ventilkörper.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Stellventil
zu schaffen, bei welchem die den Ventilkörper zu Schwingungen anregenden Wechselkräfte minimiert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale
gelöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Strömung hinter der Drosselstelle und im Diffusor durch
einen Drall stabilisiert werden kann und daß ein derartiger Drall der Strömung durch eine in dem Ringraum
zwischen Ventilgehäuse und Ventilführung vorgesehene
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Strömungsleitschiene aufgezwungen werden kann, sofern diese Strömungsleitschiene in "bezug auf eine durch den Eintrittsstutzen
und die Längsachse des Ventilgehäuses gehende Symmetrieebene einseitig versetzt angeordnet ist.
Durch die von dem Drall ausgehende Zentrifugalwirkung wird die Strömung nach^außen gezwungen und hierdurch eine
Ablösung der Strömung von der Diffusorwand vermieden. Die Stärke des Dralles, die durch die Bemessung der Strömungsleitschiene
und insbesondere durch den Versatz der Strömungsleitschiene gegenüber der genannten Symmetrieebene
beeinflußt werden kann, ist hierbei zur Vermeidung zusätzlicher Gefälleverluste begrenzt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stellventils ist die Strömungsleitschiene durch eine
aus der Innenwandung des Ventilgehäuses hervortretende Gehäuserippe gebildet. Eine derartige Gehäuserippe ist
aus Festigkeitsgründen einer geschweißten Konstruktion vorzuziehen.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zur Homogenisierung der Drallströmung vorgesehen, daß
die Strömungsleitschiene zur Längsachse des Ventilgehäuses geneigt ist. Zweckmäßigerweise liegen dabei die inneren
Endpunkte der Strömungsleitschiene auf einer um die Längsachse
des Ventilgehäuses geführten Schraubenlinie. Mit Rücksicht auf unterschiedliche Wärmedehnungen verläuft
die Schraubenlinie dabei im Abstand zur Ventilführung.
Im folgenden sind Aufbau und Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert.
Dabei zeigt:
Dabei zeigt:
Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt durch das Ventilgehäuse eines Stellventils für Dampfturbinen,
Fig. 2 eine Seitenansicht des in Fig. 1 dargestellten
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VPA 81 P 9369 DE
Stel!ventils,
Fig. 3 einen Schnitt gemäß der Linie III-III der Fig. 2,
Fig. 4 einen Schnitt gemäß der Linie IV-IV der Fig. 2 und Fig. 5 einen Schnitt gemäß der Linie V-V der Fig. 4.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Teil des Ventilgehäuses
1 eines Stellventils. Die durch Pfeile S angedeutete Dampfströmung tritt durch einen seitlichen Eintrittsstutzen
2 in das Ventilgehäuse 1 ein, durchströmt einen zwischen der Kegellippe 31 eines Ventilkörpers 3
und einem Ventilsitz 4· gebildeten Ringquerschnitt und
tritt dann nach unten aus dem Ventilgehäuse 1 aus, wobei der Austrittsbereich als Diffusor 5 ausgebildet ist.
Der Querschnittsverlauf des Stellventils kann dabei als konvergent-divergenter Kanal aufgefaßt werden, wobei der
Ventilsitz 4- in dem konvergenten Kanalteil vor dem engsten
Querschnitt f liegt und wobei der divergente .Kanalteil durch den Diffusor 5 gebildet wird. Dabei ist die
Kontur des konvergent- divergenten Kanals im Bereich des Ventilsitzes 4, des engsten Querschnittes f und des Anfangsbereichs
des divergenten Kanalteils bzw. Diffusors durch eine aus verschleißfestem Material bestehende und
in das Ventilgehäuse eingesetzte Ventilsitzbuchse 6 gebildet.
Der Ventilkörper 3 ist als Kolben ausgebildet, und innerhalb
einer als Zylinder ausgebildeten und im Ventilgehäuse Ί fest angeordneten Ventilführung 7 in axialer Richtung
geführt. Die Hubstellung des Ventilkörpers 3» welche
die Drosselung der Dampfströmung S bestimmt, wird dabei in Richtung der Längsachse L des Ventilgehäuses
über eine formschlüssig dem Ventilkörper 3 verbundene Ventilspindel 8 von einem in der Zeichnung nicht darge-
VPA 81 P 9569 DE stellten Stellantrieb eingestellt.
Um nun die den Ventilkörper 3 zu Schwingungen anregenden
Wechselkräfte zu minimieren, soll die Dampfströmung S hinter
dem Ventilsitz 4- und im Diffusor 5 stabilisiert werden. Dies gelingt mit Hilfe eines der Dampfströmung S aufgezwungenen
Dralles, welcher durch einen schraubenlinienförmigen Pfeil D angedeutet ist. Der Drall D verhindert
durch die auf die Dampfströmung S ausgeübte Zentrifugalwirkung eine Ablösung von der Wandung des Diffusors 5·
Der Drall D wird der Dampfströmung S mit Hilfe einer Gehäuserippe 9 aufgezwungen, deren Verlauf innerhalb des
Ventilgehäuses 1 aus den Fig. 2 bis 5 hervorgeht. Zunächst
ist in der Seitenansicht der Fig. 2 zu erkennen, daß die Gehäuserippe 9 im oberen Bereich des zwischen dem
Ventilgehäuse 1 und der Ventilführung 7 gebildeten Ringraumes beginnt, schräg geneigt zur Längsachse L des Ven- ."
tilgehäuses 1 nach unten verläuft und in Höhe der Uhterkante der Ventilführung 7 endet. Dieser Verlauf der Gehäuserippe
9 ist durch eine Fußlinie 9I und eine Kopflinie
92 dargestellt. In dem Schnittbild der Fig. 3 ist weiterhin zu erkennen, daß die aus der Innenwandung des
Ventilgehäuses 1 hervortretende Gehäuserippe 9 einen schraubenlinienförmig gewundenen Verlauf nimmt. Dabei ist
die Schnittfläche der an das Ventilgehäuse 1 angegossenen Gehäuserippe 9 durch eine Schraffur hervorgehoben.
Der in Fig. 4 dargestellte Querschnitt zeigt zusätzlich, daß die Gehäuserippe 9 in radialer Richtung aus der Innenwandung
des Ventilgehäuses 1 hervortritt und daß ihre Kopflinie 92 längs ihres schräg nach unten führenden Verlaufs
stets den gleichen Abstand von der Ventilführung aufweist. Letzteres bedeutet, daß die Kopflinie 92 eine
exakte Schraubenlinie beschreibt. Dieser schraubenlinienförmige
Verlauf der Kopflinie 92 geht schließlich aus dem abgewickelten Schnittbild der Fig. 5 noch deutlicher hervor.
Nachdem eine Schraubenlinie durch Aufwickeln einer
VPA 81 P 9369 DE geneigten Geraden auf einen Zylinder entsteht, erscheint
die Kopflinie 92 in der Abwicklung wieder als Gerade.
Die Auswirkungen der Gehäuserippe 9 auf die Dampfströmung
S werden anhand der Fig. 2 und 4 erläutert. Zunächst geht aus dem Querschnitt der Fig. 4- hervor, daß die durch den
seitlichen Eintrittsstutzen 2 in -das Ventilgehäuse 1 eintretende
Dampfströmung S die zylindrische Ventilführung 7 anströmt bzw. teilweise umströmt. Dabei teilt sich die
1Q Dampfströmung S in bezug auf eine durch den Eintrittsstutzen 2 und die Längsachse L des Ventilgehäuses 1 gehende
Symmetrieebene E in eine erste Teilströmung S1 und eine zweite Teilströmung S2 auf. Die durch ausgezogene
Pfeile dargestellte erste Teilströmung S1 tritt dabei in denjenigen Bereich des zwischen Ventilgehäuse 1 und Ventilführung
7 gebildeten Ringraumes ein, in welchem keine Einbauten vorhanden sind. Die durch strichpunktierte
Pfeile angedeutete zweite Teilströmung S2 tritt in denjenigen Bereich des zwischen Ventilgehäuse 1 und Ventilführung
7 gebildeten Ringraumes ein, in welchem die Gehäuserippe 9 angeordnet ist. Durch die in bezug auf die
Symmetrieebene E asymmetrische Anordnung der Gehäuserippe 9 wird also die Ausbildung der ersten Teilströmung
S1 gegenüber der zweiten Teilströmung S2 begünstigt und hierdurch ein Drall D erzeugt. In der Seitensansicht der
Fig. 2 ist zu erkennen, daß dieser Drall D dann durch den schraubenlinienförmigen Verlauf der Gehäuserippe 9
verstärkt und homogenisiert wird. Die beiden Teilströmungen S1 und S2 werden dabei durch die Gehäuserippe 9
in den hinter dem Ventilsitz 4 liegenden Kanal geleitet, wobei sich der Drall D auch im Diffusor 5 fortsetzt und
dort eine Ablösung der Strömung von der Diffusorwandung verhindert.
5 Patentansprüche
5 Figuren
5 Figuren
Claims (1)
- VPA 81 P 9369 DEPatentansprücheM J Stellventil, insbesondere zur Steuerung und Regelung von Dampfturbinen mit einem seitlichen in ein Ventilgehäuse einmündenden Eintrittsstutzen, einem innerhalb des Ventilgehäuses in einer Ventilführung verschiebbaren Ventilkörper, einem in dem Ventilgehäuse angeordneten Ventilsitz und einem dem Ventilsitz nachgeschalteten Diffusor, wobei Ventilführung, Ventilkörper, Ventilsitz und Diffusor koaxial zu der Längsachse des Ventilgehäuses (1) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Ringraum zwischen Ventilgehäuse (1) und Ventilführung (7) mindestens eine Strömungsleitschiene vorgesehen ist und daß die Strömungslextschiene in bezug auf eine durch den Eintrittsstutzen (2) und die Längsachse (L) des Ventilgehäuses (1) gehende Symmetrieebene (E) einseitig versetzt angeordnet ist.2. Stellventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleitschiene durch eine aus der Innenwandung des Ventilgehäuses (1) hervortretende Gehäuserippe (9) gebildet ist.5. Steilventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleitschiene zur Längsachse (L) des Ventilgehäuses (1) geneigt ist.4-, Stellventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Endpunkte der Strömungsleitschiene auf einer um die Längsachse (L) des Ventilgehäuses (1) geführten Schraubenlinie liegen.5. Stellventil nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenlinie im Abstand zur Ventilführurig (7) verläuft.
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